一种用于铸造流动场数值模拟的并行计算方法及系统

摘要

本发明公开了一种用于铸造流动场数值模拟的并行计算方法及系统，方法包括：S1：对铸件的流动场模型进行网格剖分；S2：并行计算当前时刻各网格的试算速度值；S3：并行计算各网格的散度值，若任一网格的散度值不满足收敛条件，并行计算所有不满足收敛条件网格自身的压力校正值、自身的速度校正值、以及对周围网格的速度校正值，并将所述对周围网格的速度校正值存入对应的处理单元中；基于每一网格自身的速度校正值以及周围网格对其产生的速度校正值，对每一网格的速度进行校正，直至所有网格均满足收敛条件；S4：重复执行S2‑S3，直至完成所有时间步长的计算。如此，本发明能够极大缩短数值模拟的计算时间，增强数值模拟软件的求解性能。

说明书

技术领域

本发明属于数值模拟计算相关技术领域，更具体地，涉及一种用于铸造流动场数值模拟的并行计算方法及系统。

背景技术

在铸造流动场的数值模拟计算中，对非线性显式方程组进行求解常常需要进行多次迭代，增加了数值计算的复杂度。以铸造流动场模拟过程中常用的SOLA方法为例，其根据初始条件或前一时刻的速度场和压力场，由动量方程的显式差分格式计算当前时刻试算速度，再通过散度的计算判断试算速度是否满足连续性方程。若不满足连续性方程，则必须校正压力值，再根据动量方程得到流体单元的校正速度，重复上述过程直到满足连续性条件。由于在流体单元校正速度的过程中也会校正该单元上游、下游单元的速度值，即存在非线性显式求解的问题，从而导致多单元的并行求解存在困难。

国内外铸造模拟所用传统方法仅能并行求解初始的试算速度与散度值，其将流体单元逐个求解计算，当所有单元满足收敛条件后，在各个子进程中进行下一时刻试算速度的计算，主进程的内存压力较大，对计算速度的提升较小，整体计算效率较低，并且无法充分利用计算机的硬件能力。面对铸造流动场模拟问题规模的增大以及求解精度的不断提高，如何加快模拟的计算速度成为一个亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于铸造流动场数值模拟的并行计算方法及系统，通过实现铸造流动场模拟技术中大量非线性显式方程组的并行求解，从而提高流场计算的效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于铸造流动场数值模拟的并行计算方法，包括以下步骤：

S1：导入铸件的流动场模型，对所述模型进行网格剖分；根据网格剖分所得的网格数量，初始化相同数量的处理单元，所述处理单元用于存储对应网格的试算速度值以及对周围网格的速度校正值；

S2：由初始的或前一时刻的速度场和压力场信息，并行计算当前时刻各网格的试算速度值；

S3：并行计算各网格的散度值，若任一网格的散度值不满足收敛条件，并行计算所有不满足收敛条件网格自身的压力校正值、自身的速度校正值、以及对周围网格的速度校正值，并将所述对周围网格的速度校正值存入对应的处理单元中；基于每一网格自身的速度校正值以及周围网格对其产生的速度校正值，对所述每一网格的速度进行校正，直至所有网格均满足收敛条件；

S4：重复执行所述S2-S3，直至完成所有时间步长的计算。

进一步地，步骤S2包括：根据动量守恒方程，由初始的或前一时刻的速度场和压力场信息，并行计算当前时刻各网格的试算速度值；

所述动量守恒方程的离散形式如下：

式中，n表示上一时刻、n+1表示当前时刻，

进一步地，在步骤S3中，根据质量守恒方程，并行计算各网格的散度值；

所述质量守恒方程的离散形式如下：

网格单元(i,j,k)的散度值为：

式中，δx

进一步地，在步骤S3中，若

进一步地，在步骤S3中，对不满足收敛条件的网格进行速度校正前，先进行压力校正，通过校正压力值使得流体的速度场满足连续性条件，压力的校正方式如下式：

p

式中，p

进一步地，在步骤S3中，

式中，

按照本发明的另一个方面，提供了一种用于铸造流动场数值模拟的并行计算系统，包括：

剖分及初始模块，用于导入铸件的流动场模型，对所述模型进行网格剖分；根据网格剖分所得的网格数量，初始化相同数量的处理单元，所述处理单元用于存储对应网格的试算速度值以及对周围网格的速度校正值；

试算速度计算模块，用于由初始的或前一时刻的速度场和压力场信息，并行计算当前时刻各网格的试算速度值；

校正模块，用于并行计算各网格的散度值，若任一网格的散度值不满足收敛条件，并行计算所有不满足收敛条件网格自身的压力校正值、自身的速度校正值、以及对周围网格的速度校正值，并将所述对周围网格的速度校正值存入对应的处理单元中；基于每一网格自身的速度校正值以及周围网格对其产生的速度校正值，对所述每一网格的速度进行校正，直至所有网格均满足收敛条件；

重复模块，用于重复执行所述试算速度计算模块和所述校正模块，直至完成所有时间步长的计算。

按照本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：处理器；存储器，其存储有计算机可执行程序，所述程序在被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上所述的用于铸造流动场数值模拟的并行计算方法。

按照本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的用于铸造流动场数值模拟的并行计算方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

本发明通过分离铸造流动场计算中非线性显式方程组迭代求解的校正步骤，具体地，首先，通过并行计算当前时刻各网格的试算速度值和散度值；然后，并行计算所有不满足收敛条件网格自身的压力校正值、自身的速度校正值、以及对周围网格的速度校正值，并将对周围网格的速度校正值存入对应的处理单元中，实现并行校正；从而实现了非线性显式求解过程的并行计算，减轻了主进程的运行压力，使计算机负载较为均衡，能够充分发挥计算机的性能，使铸造流动模拟中非线性显式求解过程的计算效率得到了极大提高，能够极大的缩短数值模拟计算过程的时间，对于铸造数值模拟软件性能的提升具有极大意义。

附图说明

图1是本发明提供的用于铸造流动场数值模拟的并行计算方法的流程图；

图2是本算法处理二维模型计算单个时间步长时对某个网格单元的处理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参阅图1，本发明提供了一种用于铸造流动场数值模拟的并行计算方法，采用了分离、并行处理非线性显式求解过程的思想，本方法适用于二维模型与三维模型。参阅图2，以二维模型为例进行流动场数值模拟计算的说明，具体实施步骤如下：

S1：计算条件的初始化。将数据模型导入模拟软件后，对模型进行初始网格剖分，然后对数学模型进行离散，并设置相应的初始条件和边界条件，对离散模型进行逐步求解。

根据网格剖分所得网格数定义处理单元的数量，不妨假设剖分结果包含p×q个网格单元，则定义p×q个Uint

S2：根据动量守恒方程并行求解各单元的试算速度值。二维动量守恒方程的离散形式如下：

更具体地，在子进程中计算网格单元Uint

S3：根据质量守恒方程(连续性方程)计算各单元的散度，不妨以单元Uint

利用散度

式中，

在对压力进行修正后，修正单元Uint

单元Uint

将对周围网格的速度校正值存入集合InfluenceSet中，作为该单元对周围单元的影响值；并行校正各单元的值，更具体地，在子进程中分配单元Uint

S4：重复执行所述S2-S3，直至完成所有时间步长的计算。

本发明还提供了一种用于铸造流动场数值模拟的并行计算系统，包括：

剖分及初始模块，用于导入铸件的流动场模型，对所述模型进行网格剖分；根据网格剖分所得的网格数量，初始化相同数量的处理单元，所述处理单元用于存储对应网格的试算速度值以及对周围网格的速度校正值；

试算速度计算模块，用于由初始的或前一时刻的速度场和压力场信息，并行计算当前时刻各网格的试算速度值；

校正模块，用于并行计算各网格的散度值，若任一网格的散度值不满足收敛条件，并行计算所有不满足收敛条件网格自身的压力校正值、自身的速度校正值、以及对周围网格的速度校正值，并将所述对周围网格的速度校正值存入对应的处理单元中；基于每一网格自身的速度校正值以及周围网格对其产生的速度校正值，对所述每一网格的速度进行校正，直至所有网格均满足收敛条件；

重复模块，用于重复执行所述试算速度计算模块和所述校正模块，直至完成所有时间步长的计算。

本申请实施例中提供的用于铸造流动场数值模拟的并行计算系统中的各个模块的实现可为计算机程序的形式。该计算机程序可在终端或服务器上运行。该计算机程序构成的程序模块可存储在电子设备的存储器上。该计算机程序被处理器执行时，实现本申请实施例中所描述方法的步骤。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质。一个或多个包含计算机可执行指令的非易失性计算机可读存储介质，当所述计算机可执行指令被一个或多个处理器执行时，使得所述处理器执行用于铸造流动场数值模拟的并行计算方法的步骤。

本申请所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)，它用作外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDR SDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。